ARM電子束焊機燈絲電源設計方案

　　1.引言

　　電子束焊機的工作原理如圖1所示，當高壓電子槍中的陰極燈絲被加熱到一定的溫度時會逸出電子，散射出的電子則在高壓電場中被加速至光速或接近光速，電子通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密度超高的電子束，當電子束轟擊焊件表面時，電子的強大動能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽菇饘偃廴?，待冷卻后自然凝固，達到焊接的目的。

　　電子束焊接陰極燈絲電源主要用于對陰極燈絲的加熱，使其受熱后發(fā)射電子，控制燈絲加熱電源的輸出電壓或電流可達到控制溢出電子的目的，從而間接的控制電子束流大小。在實際焊接過程中，需要陰極燈絲能夠穩(wěn)定的發(fā)射電子并維持電子槍內(nèi)電子密度幾乎不變，故對燈絲加熱電源的要求很高。

　　2.系統(tǒng)構成及主回路設計

　　圖2是數(shù)字控制的電子束焊機陰極燈絲加熱電源的電路原理框圖。燈絲電源主要由濾波整流電路、Buck調(diào)壓電路、逆變電路、信號處理電路、Arm控制板、燈絲變壓器和高頻整流電路等組成。單相200V市電經(jīng)全橋不控整流濾波后由得到310V左右的平滑直流電壓，由IGBT構成的Buck電路完成直流電壓幅值的調(diào)節(jié)，逆變電路完成DC/AC的轉(zhuǎn)換，信號采集電路將反饋回來的燈絲變壓器原邊電流和電壓進行處理后，送至控制器STM32的A/D輸入端，經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換和完成數(shù)字PI調(diào)節(jié)后輸出相應的PWM波，然后經(jīng)驅(qū)動電路放大后去驅(qū)動IGBT,完成整個燈絲電源的閉環(huán)控制。改變PWM波的占空比就能改變輸出電壓的幅值和電流。

　　2.1 CPU控制器

　　CPU是整個燈絲電源的核心部分，主要負責反饋信號的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計算、PWM波輸出、參數(shù)設置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個獨立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個獨立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡應用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網(wǎng)接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。

　　2.2 顯示電路及其它電路

　　對于獨立應用的電子束焊機陰極燈絲加熱電源，需要能夠設置電源的各項參數(shù)，包括設定輸出電流、PID參數(shù)等，并且實時顯示當前電流電壓值，當發(fā)生故障時候還需要顯示故障類型。燈絲電源的顯示單元采用四位數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，具有顯示直觀、壽命長等優(yōu)點。

　　燈絲電源還包括驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、保護電路、通信電路等。

　　3.控制方法及軟件實現(xiàn)

　　3.1 數(shù)字PI閉環(huán)控制

　　當Buck電路輸出功率逐漸增大的過程中，Buck電路工作模式會從DCM進入到CCM狀態(tài)，故被控系統(tǒng)是一個典型的非線性控制系統(tǒng)。

　　由于單相市電供電電壓通常存在±10%的波動，故整流電壓Us也至少存在±10%的波動，此外，陰極燈絲冷態(tài)和熱態(tài)時相差很大，控制系統(tǒng)設計的任務是抑制Us波動和燈絲電阻發(fā)生變化對Io的影響。系統(tǒng)的主要干擾來自Us的大幅波動，為了快速抑制系統(tǒng)波動采用負反饋和Us前饋的控制結構，控制系統(tǒng)結構如圖4所示。

　　控制器采用數(shù)字PI控制，即：

　　當電子束焊機剛開機工作時，陰極燈絲處于冷態(tài)，此時突然開啟燈絲電源，如果按照電壓控制，勢必會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這會影響陰極燈絲的壽命，為了避免這種情況，故采用燈絲變壓器原邊電流控制方式。若采用電流控制時，當燈絲開路時會產(chǎn)生很高的電壓易損壞變壓器二次側(cè)元器件，為了解決這個問題，需要對輸出電壓進行限制，并及時提示用戶燈絲斷裂故障，然后自動將輸出電壓降到零。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設計

　　CPU主要功能是完成閉環(huán)PI控制算法、發(fā)送PWM脈沖、故障保護、數(shù)據(jù)顯示和遠程通信。系統(tǒng)軟件主要是對STM32芯片的編程，編程語言采用C語言。

　　程序由主程序和若干子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進入PWM中斷后，首先對各路反饋信號進行采集和處理，該流程圖如圖5所示，然后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器運算后產(chǎn)生PWM脈沖輸出，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后驅(qū)動IGBT,實現(xiàn)整個燈絲電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

　　本電源采用全數(shù)字操作界面，所有參數(shù)均能通過面板按鍵進行設置，實現(xiàn)了燈絲電源的全數(shù)字化操作，并且數(shù)碼管夠?qū)崟r顯示燈絲電源系統(tǒng)的輸出電流、輸出電壓、運行狀態(tài)、故障信息等，當發(fā)生故障時，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過壓、過流以及燈絲斷裂信息等故障信息顯示出來。

　　4.實驗結果

　　電子束焊機的陰極燈絲一般采用很薄的片狀鎢絲，電阻值通常很小，通常需要燈絲兩端加上0~6V可調(diào)電壓，流過燈絲的最大電流可達30A左右。我們將制作的電子束焊機燈絲電源用在某知名廠家生產(chǎn)的電子束焊機上，圖6是在真空系統(tǒng)正常工作而高壓電源未開啟時，測量的燈絲電源工作時的波形。

　　其中圖6是輸出燈絲電流設定21A時的波形，示波器CH1、CH3是燈絲變壓器原邊電壓、電流測量波形，CH2是燈絲電流測量波形。從圖中我們可看出燈絲電源能夠很好實現(xiàn)軟啟動功能，幾乎無超調(diào)，并且燈絲電流紋波非常小，控制在5%以內(nèi)，達到了很好的控制效果。

　　5.總結

　　本文提出一種基于Arm的全數(shù)字化控制的燈絲電源方案，分析了逆變式電源具有高精度、小體積、全數(shù)字等特點，所有電源參數(shù)直接通過人機界面設定并存儲，并具備與上位機遠程通信的功能。在實際焊接實驗過程中，燈絲能夠按照設定的上升和下降時間實現(xiàn)緩升和緩降功能，當燈絲斷裂的時候也能夠很快識別并及時關斷電源輸出，并及時提醒用戶需要跟換新的陰極燈絲，實現(xiàn)了燈絲電源的智能化，經(jīng)驗證，該方案中燈絲電源能夠精確地穩(wěn)定陰極燈絲電流，燈絲發(fā)射電子密度穩(wěn)定性好，達到很好的性能要求。